§ 35. Половое размножение. Образование половых клеток

Определения и обозначения

Половое размножение — способ размножения, при котором новый организм обычно развивается после слияния мужской и женской половых клеток. Такое слияние называют оплодотворением. Оно объединяет наследственную информацию двух родителей и приводит к появлению клетки, из которой может развиться потомок.

Гаметы — половые клетки с гаплоидным набором хромосом; при оплодотворении они сливаются. Гаплоидный набор содержит по одной хромосоме из каждой пары и обозначается n. Такой набор нужен, чтобы после соединения двух гамет восстановилось характерное для вида число хромосом.

Гаметогенез — процесс образования и развития половых клеток в половых железах. У животных мужские гаметы формируются в семенниках, женские — в яичниках. Знание этапов гаметогенеза помогает понять, как исходные клетки дают начало зрелым гаметам.

Мейоз — особый тип деления клетки, при котором число хромосом уменьшается вдвое. Он состоит из двух последовательных делений, а перед ними клетка удваивает наследственный материал. Именно мейоз позволяет образовать гаметы с гаплоидным набором, необходимым для сохранения числа хромосом вида при половом размножении.

Как это устроено

При половом размножении наследственный материал потомка объединяет информацию двух родительских организмов. Во время образования гамет и их последующего слияния возникают новые сочетания наследственных вариантов. Поэтому потомки обычно не являются точными копиями родителей и могут отличаться друг от друга; это разнообразие важно для существования популяций в меняющихся условиях.

Гаметы образуются в половых железах из исходных клеток. В ходе мейоза хромосомный набор становится гаплоидным, то есть содержит половину числа хромосом по сравнению с диплоидной клеткой тела. Если бы гаметы сохраняли полный набор, их слияние удваивало бы число хромосом в каждом поколении. Гаплоидность предотвращает такое удвоение: при оплодотворении два набора снова образуют диплоидный.

Гаметогенез включает несколько связанных этапов: размножение исходных клеток, их рост, мейотическое деление и формирование зрелых гамет. Размножение увеличивает число клеток, способных вступить в развитие. Во время роста клетка увеличивается и подготавливается к делению; затем мейоз меняет число хромосом, а формирование придаёт клетке особенности, нужные для её роли. Так появляются зрелые половые клетки, способные участвовать в оплодотворении.

При сперматогенезе одна исходная клетка после мейоза обычно даёт четыре клетки с гаплоидным набором, которые затем становятся зрелыми сперматозоидами. При овогенезе деление цитоплазмы идёт неравномерно: большую её часть получает одна клетка, а небольшие клетки становятся полярными тельцами. Поэтому обычно формируется одна крупная яйцеклетка, а не четыре равноценных зрелых гаметы. Такое различие связано с задачами мужской и женской половых клеток.

Яйцеклетка содержит запас питательных веществ и цитоплазму, которые поддерживают начальное развитие зародыша. Сперматозоид, напротив, приспособлен к движению и доставке наследственного материала к яйцеклетке. Поэтому он обычно значительно меньше и не несёт сопоставимого запаса веществ. Различия в строении отражают распределение функций между гаметами при оплодотворении и начале развития.

Сравнение образования мужских и женских половых клеток

Сопоставляй строки по одному признаку: таблица показывает и общие черты, и различия двух процессов. Особенно полезны строки о результате мейоза и свойствах зрелых гамет: они связывают распределение цитоплазмы с ролью каждой клетки. Формулировки описывают обычный результат гаметогенеза у животных.

Разбор задач

Задача 1

У исходной клетки перед мейозом было 24 хромосомы. Определите, сколько хромосом будет в каждой образовавшейся гамете. Здесь важно не спутать удвоение наследственного материала перед делением с итоговым числом хромосом: мейоз приводит к уменьшению набора вдвое.

1. Число 24 дано для клетки до мейоза; принимаем его за исходный диплоидный набор.
2. При мейозе набор уменьшается вдвое: 24 ÷ 2 = 12.
3. Каждая гамета получает гаплоидный набор из 12 хромосом.

Ответ: в каждой гамете будет 12 хромосом. Проверка: две такие гаметы при слиянии дадут 12 + 12 = 24 хромосомы.

Задача 2

Сравните результат образования половых клеток из одной исходной клетки при сперматогенезе и овогенезе. Нужно указать не только число клеток после мейоза, но и понять, какие из них становятся зрелыми гаметами. При овогенезе цитоплазма распределяется неравномерно, поэтому число продуктов деления не равно числу зрелых яйцеклеток.

1. При сперматогенезе мейоз одной исходной клетки обычно приводит к образованию четырёх клеток.
2. Эти клетки формируются в четыре зрелых сперматозоида.
3. При овогенезе одна клетка получает основную часть цитоплазмы и становится яйцеклеткой.
4. Остальные продукты деления — полярные тельца; обычно они не становятся зрелыми яйцеклетками.

Ответ: при сперматогенезе обычно образуются четыре зрелые гаметы, а при овогенезе — одна крупная яйцеклетка и полярные тельца. Неравное распределение цитоплазмы обеспечивает яйцеклетку запасом веществ для начального развития.

Задача 3

У животного в клетках тела 36 хромосом. Укажите набор хромосом в его гаметах и в клетке, образовавшейся сразу после слияния двух гамет. Клетки тела имеют диплоидный набор, поэтому число 36 сначала нужно уменьшить вдвое для определения набора гамет. Затем следует восстановить полный набор при слиянии.

1. В клетках тела животного диплоидный набор: 2n = 36.
2. Мейоз уменьшает число хромосом вдвое, значит гаметы имеют n = 36 ÷ 2 = 18.
3. При оплодотворении объединяются наборы двух гамет: 18 + 18 = 36.

Ответ: в каждой гамете 18 хромосом, а сразу после слияния гамет образуется клетка с 36 хромосомами. Она имеет диплоидный набор, соответствующий числу хромосом в клетках тела данного животного.

Типичные ошибки

Считать мейоз и митоз одинаковыми делениями. Их путают, потому что оба процесса включают деление клетки, но результат у них разный: митоз обычно сохраняет число хромосом, а мейоз уменьшает его вдвое. Проверь себя вопросом: образуется ли клетка с тем же набором, что у исходной, или гамета с половинным набором?

Путать гаплоидный набор гамет с диплоидным набором клеток тела. Ошибка возникает, если запомнить число хромосом вида, но забыть, к каким клеткам оно относится. Обозначай набор гамет как n, а клеток тела как 2n; при слиянии двух гамет должно получиться n + n = 2n.

Полагать, что при сперматогенезе и овогенезе из одной исходной клетки получается одинаковое число зрелых гамет. Такое предположение делают, представляя мейоз как образование четырёх равных клеток в обоих случаях. При проверке учитывай судьбу цитоплазмы: обычно получаются четыре сперматозоида, но одна яйцеклетка и полярные тельца.

Считать яйцеклетку и сперматозоид одинаковыми по размеру и запасу цитоплазмы. Общая функция — участие в оплодотворении — не означает одинакового строения. Чтобы проверить ответ, свяжи форму с ролью: яйцеклетка крупная и содержит запас веществ, а сперматозоид мал и приспособлен к движению.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о хромосомах, клеточном цикле и митозе: без них трудно проследить, как меняется наследственный материал при делениях. Гаметогенез и мейоз подготавливают к изучению оплодотворения и индивидуального развития, поскольку после слияния гамет начинается развитие нового организма. Связь мейоза с наследственностью помогает объяснить, почему при половом размножении сочетаются признаки родителей и возникает наследственная изменчивость.

Что запомнить

• Гаметы — клетки с гаплоидным набором хромосом.
• Мейоз уменьшает число хромосом вдвое.
• При оплодотворении объединяются наследственные материалы двух гамет.
• Гаметогенез происходит в половых железах.
• При сперматогенезе обычно формируются четыре зрелые гаметы.
• При овогенезе формируется одна крупная яйцеклетка и полярные тельца.